上海飛奧燃氣設備有限公司研發(fā)中心 王 珍 王濱濱 胡 莽

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)是基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，作為IoT領域的一個新興的技術，優(yōu)勢明顯。NB-IoT定義了當前唯一具備大規(guī)模普及潛質(zhì)和高商業(yè)價值的長距離低傳輸速率的通信技術，非常適合于傳感、計量、監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)應用，適用于智能抄表等多類物聯(lián)網(wǎng)應用領域。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃氣表的使用是大勢所趨，隨著“煤改氣”工程的逐步推進和天然氣用量逐年增長，燃氣表的新增和更新需求將在未來幾年內(nèi)持續(xù)旺盛。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃氣表市場空間巨大。國內(nèi)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表開始進入規(guī)?；虡I(yè)應用階段，進一步滿足了燃氣運營商提升效率和信息化、智慧化服務的需求[1]。NB-IoT智能燃氣表作為燃氣表行業(yè)的新勢力，因其具有技術成熟、抄表簡單、功耗低、信息安全、全面管理等優(yōu)點，已越來越受到各大終端表廠商的追捧。

在NB-IoT智能燃氣表控制器的設計過程中，設計一套穩(wěn)定可靠、低功耗的供電系統(tǒng)，對保證燃氣表全生命周期中穩(wěn)定運行是至關重要的。

1 供電系統(tǒng)

市面上常見的燃氣表供電方式一般由外置供電部分和內(nèi)置供電部分組成。其中外置供電部分為4節(jié)1.5 V堿性電池串聯(lián)組成，內(nèi)置供電部分則為一次性鋰亞電池組成，即采用外保內(nèi)的供電方式。當內(nèi)電外電同時供電時，主要由4節(jié)外置堿性電池給控制板各個模塊供電；當外電拔出，由一次性鋰亞電池給控制板各個模塊供電。為了滿足NB模組在外電掉電的情況下還能穩(wěn)定的通信，保證通信成功率，本方案中給出一種用超級脈沖復合電容UPC1520設計的充放電電路。當回路導通時，電池和超級電容同時提供負載電流，回路斷開時，電池對超級電容充電；采用超級電容器可補償電池電流，緩解電池輸出大電流的壓力，并使得電池端電壓下降減少，內(nèi)部損耗減少，進而提高電容器的壽命[2]。當外置電池被取出后，由UPC1520儲存的電量提供燃氣表掉電后的關閥和通信上報功能。智能燃氣表供電系統(tǒng)結構見圖1。

圖1 智能燃氣表供電系統(tǒng)示意

2 電路設計

智能燃氣表的供電系統(tǒng)由內(nèi)置電源供電端口、外置電源供電端口、UPC充放電電路、掉電檢測電路、采樣電路、電壓轉(zhuǎn)換電路和可控制開關電路組成。具體原理圖見圖2。

圖2 智能燃氣表供電系統(tǒng)原理

電路①②分別有外置電源供電端口和內(nèi)置電源供電端口。VD1、VD3為單向二極管，本設計中選用的是硅二極管，壓降約0.7 V。6 V外置電源上電后，VD1導通，后端電壓約為5.3 V；3.6 V內(nèi)置一次性鋰亞電池上電后，在外電充足的情況下 VD3是不導通的，系統(tǒng)優(yōu)先消耗外置電池的電量。當VD2后端電壓低于2.9 V時，VD3導通，內(nèi)置一次性鋰亞電池給系統(tǒng)供電。這樣的設計可以在滿足智能燃氣表壽命的情況下，降低對一次性鋰亞電池電量的要求。

電路③為掉電中斷檢測電路。當外部電池被拔出后，會反饋給系統(tǒng)一個中斷電平，燃氣表系統(tǒng)檢測到掉電事件后，系統(tǒng)進行掉電關閥、上報的操作。圖2中R1、R4組成分壓限流電路。由于R1、R4的電流回路在燃氣表的整個生命周期中都是通的，所以R1、R4的阻值不能選得太小，一般選MΩ級電阻，在保證實現(xiàn)功能的前提下，控制電路電流，降低整體功耗，電路電流I=6 V/(R1+R4) Ω。

電路④為外置電池供電電路采樣電路。為了降低系統(tǒng)功耗，采樣電路搭配了開關控制電路。當控制V AD EN端口為低電平時，PNP三極管VQ1、NPN三極管VQ2均工作在截止區(qū)，V AD采樣點所在的回路不通，這樣在不需要采樣時回路不通，可降低電流消耗。當控制端口V AD EN為邏輯高電平時，V AD采樣點所在回路導通，通過分壓電阻R3、R7采樣，采樣完成后，等比例還原為真實值，實現(xiàn)整個控制過程。

電路⑤為電壓轉(zhuǎn)換電路。本方案選用帶使能的LDO來實現(xiàn)，5.3 V電壓轉(zhuǎn)換成3.6 V，給NB模塊供電。以移遠BC95系列模組為例，供電電壓3.1～4.2 V，典型值3.6 V，并且電源必須能夠提供0.5 A的電流。本方案中選用的是 HE6236M5R，靜態(tài)功耗2 μA，峰值電流0.5 A。電路⑤后端搭配VQ3、VQ8組成的開關控制電路⑥完成對NB模組供電的控制。在不需要通信時，NB PWR EN端口為低電平，VQ3、VQ8不導通，降低系統(tǒng)功耗；在需要通信時，NB PWR EN端口為高電平，VQ3、VQ8導通，給NB模組供電。

電路⑦是一個超級電容UPC1520。通過VD1、VD4、VD2、R9和其他供電電路組成了UPC的充放電電路。當內(nèi)外電正常供電，內(nèi)外電電量充足時，VD1導通，VD4、VD2不導通，供電系統(tǒng)由電壓轉(zhuǎn)換電路⑤將電壓轉(zhuǎn)換為 3.6 V后通過 R9給UPC1520充電，充滿電的UPC兩端電壓為3.6 V。當外置一次性鋰亞電池電量低，需要更換電池導致外電掉電后，VD2導通，VD1、VD4不導通，電路⑦中UPC1520放電，給整個系統(tǒng)供電，滿足NB模組掉電上報，內(nèi)置電機閥掉電關閥。UPC1520放電電壓低于2.0 V時，可能導致性能衰減或內(nèi)阻升高，為降低這一風險，設計中增加了 VD4回路，如果外電一直不上電，UPC1520兩端電壓低于與內(nèi)置鋰亞電池兩端電壓的差值大于0.7 V后，VD3、VD4導通，內(nèi)置鋰亞電池通過導通的VD4給UPC1520供電，維持UPC1520兩端電壓，降低UPC出現(xiàn)饋電現(xiàn)象導致性能衰減或內(nèi)阻升高的風險[3]。

3 電路功耗測試方案

本方案功耗測試方法，主要用到了Keysight 的直流電源分析儀N6705，搭配Keysight 14585A使用。Keysight 14585A 控制和分析軟件適用于控制N6705的高級功能，并分析來自分析儀的數(shù)據(jù)。該軟件的控制操作與PC類似。利用該設備，可以方便地測試出供電系統(tǒng)的電流變化情況和整體功耗情況。測試環(huán)境示意見圖3。

圖3 測試環(huán)境示意

系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)外電由電路⑤轉(zhuǎn)換為 3.6 V后給 UPC1520充電。這部分電能是儲存在超級脈沖復合電容里的，并不是控制板上直接消耗掉的，所以在評估控制器的整體功耗時，不能籠統(tǒng)地直接帶著UPC電路評估，而應該單獨評估UPC電路的功耗。另外，此測試方案是為了測試整個供電系統(tǒng)功耗，而不是整個燃氣表控制器功耗，所以不帶通信模塊、計量模塊、紅外模塊等。

3.1 不帶UPC電路功耗測試

用N6705搭配Keysight 14585A使用來測試功耗。主要用到差值法，即以一種條件下測試的電流值為基準，增加或刪減某一電流回路后再次測量消耗的電流值，前后兩次差值的絕對值為這一增加或刪減電路當前狀態(tài)下所消耗的電流值[4-5]。

對供電系統(tǒng)來講，有兩種工作情況下的功耗需要測試評估。一種是控制器處在低功耗模式，此時供電系統(tǒng)中控制電路④、電路⑥的是能引腳V AD EN、NB PWR EN均為低電平；另一種是控制器處在非低功耗模式，此時供電系統(tǒng)中控制電路④、電路⑥的是能引腳V AD EN、NB PWR EN均為高電平，電路④、電路⑥所在的電路回路是通路，消耗電能。

測試步驟如下：

(1) 以低功耗條件下測試的電流值為基準，斷開R11，將R5與V AD EN相連一端通過調(diào)試線與GND相接，將R70與NB PWR EN相連一端也通過調(diào)試線與GND相接，N6705通道正負極與J1相連，提供6 V的恒壓源，測量此時的電流值aμA。

(2) 差值法測量電路④的功耗。在前一步的基礎上，將R5與V AD EN相連一端通過調(diào)試線與J2的正極相接，將N6705通道正負極與J1相連，提供6 V的恒壓源，測量得此時的電流值bμA，由此可以計算出電路④工作時的功耗為：(b-a) μA 。

(3) 差值法測量電路⑦的功耗。在第一步的基礎上，將R70與NB PWR EN相連一端也通過調(diào)試線與J2的正極相接， N6705通道正負極與J1相連，提供6 V的恒壓源，測量得此時的電流值cμA，由此可以計算出電路④工作時的功耗為：(c-a) μA 。

3.2 UPC1520電路測試

關于 UPC1520的測試并不是指對超級脈沖復合電容 UPC1520電性能參數(shù)的測試，本方案中所指的測試是為了驗證 UPC1520是否滿足燃氣表的功能需求和壽命需求而進行的測試。智能燃氣表中有一個功能是掉電關閥上報，即在用戶人為的拔出外置干電池后，系統(tǒng)會檢測到掉電事件，立即下發(fā)關閥指令，且會自動上報與表具管理平臺進行通信，告知表具狀態(tài)，而 UPC1520的放電電路為這一系列過程的供電起到了關鍵作用，所以評估UPC1520充電過程的功耗，以及儲存的容量是否滿足掉電關閥和上報的需求就尤為重要。本方案針對UPC1520電路的測試主要就這兩點進行闡述。

(1) UPC1520充電電路功耗測試。系統(tǒng)外電給UPC1520充電。這部分電能是儲存在UPC1520里的，并不是控制板上直接消耗掉的，所以實際評估UPC1520充電電路工作的功耗需要在UPC1520充滿電后測量評估[2]。

在不帶UPC1520電路功耗的測試步驟1的基礎上，焊接上一個新的UPC1520，將N6705通道正負極與J1相連，提供6 V的恒壓源，通過PC端軟件 14585A檢測 UPC1520從充電到充滿電的過程中，供電系統(tǒng)的電流大小，測出 UPC1520充滿電后的供電系統(tǒng)消耗的電流，測量此時的電流值dμA，則UPC1520電路充滿電后消耗的電流值為(d-a) μA。

(2) UPC1520放電電路功能測試。主要評估UPC1520充滿電的容量是否滿足掉電后的關閥和上報的需求。測試方案主要是利用N6705的電流負載功能檢測在燃氣表的生命周期中 UPC1520的實際有效使用容量，評估是否滿足使用要求。本方案中選用的UPC1520的充放電性能見表1。

表1 UPC1520的充放電性能參數(shù)表

本方案中利用電壓轉(zhuǎn)換電路提供3.6 V的電壓給 UPC1520充電，所以充滿電的容量≤140 As。UPC過放電可能會導致性能衰減或內(nèi)阻升高，為保證 UPC1520的正常工作，測試的有效容量截止電壓為2.5 V。

為了測試評估有效容量是否滿足設計需求，需要測試燃氣表內(nèi)置電機閥的關閥電流和表具自動上報過程的電流消耗，以此來評估 UPC1520的最大放電電流是否滿足要求，也作為負載電流的設置依據(jù)。為方便闡述，將表2作為電機閥開關、自動上報的評估測試數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)來源于隨機選取的量產(chǎn)燃氣表的樣本數(shù)據(jù)。

表2 單次關閥和自動上報樣本數(shù)據(jù)

從樣本數(shù)據(jù)中得出，掉電后一次關閥上報操作大于需要消耗電量為0.3 mAh。評估UPC1520是否滿足功能需求，UPC充電儲存的電量需要滿足關閥和自動上報過程中峰值電流持續(xù)過程消耗的電量，也需要滿足非峰值電流持續(xù)過程消耗的總電量。

本測試方案中，UPC1520的峰值電流有效容量和峰值電流持續(xù)時長的測試直接按照 UPC1520電性能參數(shù)提供的 UPC1520的最大連續(xù)放電電流進行測試。

將一只新的 UPC1520的正負電極與電源分析儀N6705通道正負極相連，以25 mA恒流源，限壓3.6 V給UPC1520充滿電，之后將N6705通道設置成為500 mA恒流負載模式，讓UPC1520放電至2.5 V截止電壓，測得按最大連續(xù)放電電流的有效功耗為14.43 mAh，放電時長103.9 s。從數(shù)據(jù)結果分析，14.43 mAh遠大于一次關閥上報操作需消耗電量0.3 mAh，并且實際使用中，燃氣表關閥，上報操作消耗電量小于按持續(xù)最大放電500 mA放電所消耗的電量，即表明 UPC1520存儲的電量有足夠的余量滿足掉電后的關閥和自動上報，即使信號不良的情況下也可多次上報。

4 結語

通過對智能燃氣表供電系統(tǒng)電路原理的分析和供電系統(tǒng)功耗的測試，以及超級脈沖復合電容UPC1520 放電容量的評估，本方案設計很好地滿足了NB-IoT智能燃氣表掉電后的關閥和自動上報操作，同時低功耗的設計也保證了燃氣表的使用壽命要求。